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Tecnolog�a de mecanizado para elementos de geometr�a compleja mediante el trabajo de 5 ejes simult�neos

 

Machining technology for complex geometry elements through the work of 5 simultaneous axes

 

Tecnologia de usinagem de elementos de geometria complexa atrav�s do trabalho de 5 eixos simult�neos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: mirella.medina@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias de la Educaci�n ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de noviembre de 2022 *Aceptado: 12 de diciembre de 2022 * Publicado: 23 de enero de 2023

 

1. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Riobamba, Ecuador.
2. Ingeniero Mec�nico, Mag�ster en Dise�o, Producci�n y automatizaci�n industrial Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Carrera de Mec�nica, Grupo de Investigaci�n GIEBI, Chimborazo � Ecuador.
3. Ingeniero Automotriz, Master en Manufactura y Dise�o Asistidos por Computador, Diplomado en Ingenier�a de la Soldadura, Carrera de Mantenimiento Industrial, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Grupo de Investigaci�n GIEBI, Chimborazo, Ecuador.
4. Ingeniero Mec�nico, Mag�ster en Dise�o, Producci�n y automatizaci�n industrial Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Carrera de Ingenier�a Automotriz, Grupo de Investigaci�n GIEBI, Chimborazo � Ecuador.

Resumen

El presente proyecto t�cnico tuvo como objetivo evaluar la tecnolog�a de mecanizado para elementos de geometr�a compleja mediante el trabajo de 5 ejes simult�neos siendo esta tecnolog�a poco desarrollada en el pa�s debido a que no se cuenta con softwares adecuados, as� como el personal calificado para su manejo. Mediante el uso de la m�quina fresadora CNC de 5 ejes ROMI DCM 620- 5X ubicada en el laboratorio �CAD CAM CAE� de la facultad de Mec�nica, se realiz� el mecanizado de un impeller siendo esta una geometr�a compleja, defini�ndola como aquella que a simple vista se la considera rara debido a que no est� formada por geometr�as sencillas como cubos, cilindros que son desarrollables y la esfera como no desarrollable, teniendo as� una dificultad en el mecanizado. El control de la m�quina se lleva a cabo mediante el control num�rico SIEMENS SINUMERIK 840D mediante el cual es posible la lectura e interpretaci�n del c�digo G obtenido mediante el post procesador compatible, una vez que se ha realizado la simulaci�n en el software para comprobar si las herramientas escogidas son las adecuadas, adem�s el control de velocidad y posici�n de los 5 ejes. Concluyendo que los resultados obtenidos en el mecanizado del impeller son satisfactorios dado que al comparar con los valores del modelo CAD, se encuentra dentro del rango de desviaci�n permitida mediante la norma IEC 6019; logrando realizar los seis �labes con sus respectivos partidores, demostrando que mediante esta tecnolog�a es posible su mecanizado en un solo montaje en tiempos cortos y la notable disminuci�n de errores debido a la falla humana, se recomienda revisar el manual de la m�quina y el uso de equipos de protecci�n personal para su manejo, as� como el herramental y sistema de sujeci�n adecuado para un correcto mecanizado.

Palabras Clave: Impeller; Geometr�a Compleja; Cinco ejes simult�neos; Manufactura; Control Num�rico Computarizado.

 

Abstract

The objective of this technical project was to evaluate the machining technology for elements of complex geometry through the work of 5 simultaneous axes, this technology being little developed in the country due to the fact that there is no adequate software, as well as qualified personnel for its management. . By using the ROMI DCM 620-5X 5-axis CNC milling machine located in the "CAD CAM CAE" laboratory of the Faculty of Mechanics, the machining of an impeller was carried out, this being a complex geometry, defining it as one that simply Vista is considered rare because it is not formed by simple geometries such as cubes, cylinders that are developable and the sphere as non-developable, thus having a difficulty in machining. The control of the machine is carried out by means of the numerical control SIEMENS SINUMERIK 840D through which it is possible to read and interpret the G code obtained by means of the compatible post processor, once the simulation has been carried out in the software to check if the chosen tools are adequate, in addition to the control of speed and position of the 5 axes. Concluding that the results obtained in the machining of the impeller are satisfactory since when compared with the values of the CAD model, it is within the range of deviation allowed by the IEC 6019 standard; managing to make the six blades with their respective splitters, demonstrating that through this technology it is possible to machine them in a single assembly in short times and the notable decrease in errors due to human error, it is recommended to review the manual of the machine and the use of personal protective equipment for its handling, as well as the appropriate tooling and clamping system for correct machining.

Keywords: impeller; Complex Geometry; Five simultaneous axes; Manufacture; Computerized numeric control.

 

Resumo

O objetivo deste projeto t�cnico foi avaliar a tecnologia de usinagem de elementos de geometria complexa atrav�s do trabalho de 5 eixos simult�neos, sendo esta tecnologia pouco desenvolvida no pa�s devido ao fato de n�o haver software adequado, bem como pessoal qualificado para sua gest�o. . Utilizando a fresadora CNC ROMI DCM 620-5X de 5 eixos localizada no laborat�rio "CAD CAM CAE" da Faculdade de Mec�nica, foi realizada a usinagem de um rotor, sendo este uma geometria complexa, definindo-o como aquele que simplesmente Vista � considerada rara por n�o ser formada por geometrias simples como cubos, cilindros que s�o desenvolv�veis e a esfera como n�o desenvolv�veis, tendo assim uma dificuldade na usinagem. O controle da m�quina � realizado por meio do controle num�rico SIEMENS SINUMERIK 840D atrav�s do qual � poss�vel ler e interpretar o c�digo G obtido por meio do p�s-processador compat�vel, uma vez realizada a simula��o no software para verificar se as ferramentas escolhidas forem adequadas, al�m do controle de velocidade e posi��o dos 5 eixos. Concluindo que os resultados obtidos na usinagem do impulsor s�o satisfat�rios visto que quando comparado com os valores do modelo CAD encontra-se dentro da faixa de desvio permitida pela norma IEC 6019; conseguindo fazer as seis p�s com seus respectivos divisores, demonstrando que atrav�s dessa tecnologia � poss�vel usina-las em uma �nica montagem em curtos tempos e a not�vel diminui��o de erros por falha humana, recomenda-se a revis�o do manual da m�quina e o uso de equipamentos de prote��o individual para seu manuseio, bem como ferramental adequado e sistema de fixa��o para correta usinagem.

Palavras-chave: impulsor; Geometria Complexa; Cinco eixos simult�neos; Fabrica��o; Controle num�rico computadorizado.

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Introducci�n

En Ecuador la tecnolog�a de m�quinas y herramientas multi ejes para geometr�as complejas es un reto para la fabricaci�n de piezas a nivel industrial, actualmente los problemas limitantes para el

aprovechamiento al m�ximo de la capacidad total de las m�quinas CNC son: (1) La utilizaci�n de softwares de alta gama para el desarrollo de la simulaci�n, debido a su elevado costo. (2) No se cuenta con el personal calificado para el manejo de la tecnolog�a multi eje. En la industria ecuatoriana ha crecido la demanda de componentes mec�nicos que por su geometr�a no es posible realizarlo con m�quinas convencionales. Con un centro de mecanizado 5 ejes y un software apropiado es posible desarrollar piezas con formas complejas, en una variedad de aplicaciones en la industria como m�quinas, biomec�nica, moldes de inyecci�n, industria aeron�utica, etc., �

En la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, se dispone de un centro de mecanizado CNC de 5 ejes, ha sido limitado el uso de esta tecnolog�a por la falta de conocimiento tanto de la m�quina como del software que permita realizar la simulaci�n del proceso con su respectivo post procesador que sea capaz de reconocer el c�digo. El principal objetivo de este trabajo de titulaci�n es realizar el mecanizado del impeller haciendo uso de las herramientas disponibles y recursos tanto f�sicos y tecnol�gicos.

 

Metodolog�a �

Para el desarrollo del proceso de mecanizado se determinan las especificaciones de la pieza, el centro de mecanizado y los materiales utilizados. Luego las operaciones de maquinado requeridas para producir la pieza final. A continuaci�n, se explican las herramientas necesarias para cada actividad. Finalmente, se determinan los par�metros de corte de las herramientas seleccionadas en funci�n de la velocidad de corte y avance.

 

Pieza

La pieza para mecanizar se trata de un impeller, el cual est� compuesto por seis �labes principales con sus respectivos partidores. Por su geometr�a en las superficies se generan las diferentes operaciones y trayectorias de herramientas teniendo que ser identificadas correctamente para seleccionar las herramientas que pueden realizar las operaciones sin ninguna dificultad de mecanizado evitando choques con el material y falta de entrada de la herramienta en ciertos agujeros.

 

 

 

Realizado por: Medina M, 2022

 

 

Centro de Mecanizado

La fresadora CNC de 5 ejes de la marca ROMI, con capacidad para desarrollar el mecanizado mediante el trabajo de 5 ejes. Diferenciado de un centro de mecanizado com�n por sus dos ejes de movimiento (B, C) complementarios que brindan la posibilidad de desarrollar trabajos complejos.� Y debido a la indexaci�n de estos ejes se puede generar mecanizados imposibles de ser alcanzados en centros de mecanizado convencionales.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fuente: (ROMI, 2016)

 

Sus principales especificaciones son las siguientes:

 

Tabla 1: Especificaciones ROMI DCM 620-5x

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Fuente: (ROMI, 2016)

 

 

Material

El material para mecanizar es madera (laurel), su dureza es baja (7 HB), lo que permite mecanizarlo con facilidad (altas velocidades de corte y de avance). �Permitiendo seleccionar los datos de corte de cada herramienta Sandvik, puesto que los valores de estos dependen del tipo de material.

 

Operaciones de mecanizado

Para realizar el mecanizado correctamente, es necesario definir las operaciones a realizar, as� como el orden de estas en funci�n de las necesidades de la pieza, el material, y el centro de mecanizado disponible.

 

1. Cavity Mill

Permite el desbaste por antonomasia, esta operaci�n necesita definir el material en bruto y de la pieza a mecanizar, estableciendo niveles de corte a distintas alturas y en cada nivel de corte. La operaci�n mecaniza la diferencia entre el material en bruto y la pieza de corte.

 

2. Desbaste de cuchillas m�ltiples.

Esta operaci�n de fresado con los ejes m�ltiples consiste en quitar el material que se encuentra entre las cuchillas y los partidores mediante el uso de niveles de corte entre el eje y el cubo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Realizado por: Medina M, 2022

 

3. Acabado de los �labes primarios y partidores

Permite realizar el acabado de los �labes principales y sus partidores especificando qu� caras cortar, as� como los par�metros de estabilizaci�n del eje de la herramienta para los bordes.

 

 

Realizado por: Medina M, 2022

 

4. Acabado del cubo

Crea trayectorias de herramienta optimizadas al controlar con toda precisi�n el espaciado lateral, el patr�n de corte y el suavizado de la trayectoria de la herramienta.

 

Realizado por: Medina M, 2022

Figura 5: Acabado del cubo

5. Acabado con redondeo de la cuchilla principal y partidor

Para terminar como �ltima operaci�n, se realiza un redondeado entre el cubo y los alabes para evitar zonas de interferencia, as� mismo esta operaci�n permite dar redondeado a la zona del alabe y su respectivo partidor.

No es posible realizar simult�neamente la operaci�n en el alabe y el partidor, para ello se requiere una nueva operaci�n similar cambiando �nicamente el m�todo gu�a.

 

 

 

Realizado por: Medina M, 2022

Selecci�n de herramientas

Una vez conocidas las operaciones que hay que realizar a la pieza, es necesario seleccionar las herramientas en funci�n de las caracter�sticas de la m�quina (CNC), de la pieza y del material. Se han tomado las velocidades recomendadas por el cat�logo del fabricante teniendo tambi�n en cuenta el material en cuesti�n y la geometr�a a mecanizar.

 

�       Fresa de punta redonda de di�metro 12 mm

La primera operaci�n que se realiza a la pieza es un perfilado, esto es debido a que es necesario obtener la forma de la pieza en bruto. Se lo hace mediante una fresa de punta esf�rica de 12 mm de di�metro.

Figura 7: Fresa redonda 12 mm

Fuente: Cat�logo FERMEC

 

�       Fresa de punta redonda de di�metro 6 mm

Con el fin de realizar un desbaste sin provocar colisiones, la herramienta adecuada para este tipo de operaciones, por su forma geom�trica pudiendo realizar un acabado completo lo cual se lo debe hacer por secciones con el fin avanzar con la mayor cavidad posible, una vez realizado la operaci�n de desbaste con la misma herramienta en este caso se ha definido la herramienta �SANVIK con su numeraci�n 2B320-0600-NG�, para el desbaste.

 

Figura 8: Fresa redonda 6 mm

�Fuente: Cat�logo SANDVIK

 

�       Fresa c�nica con punta redonda con di�metro de 4 mm

Para el redondeado de los alabes y los alabes divisores se seleccion� una herramienta c�nica con punta redonda de 4 mm, apta para realizar la operaci�n de redondeo. Esta herramienta es de la marca �SANVIK con su numeraci�n R216.53-0404RAL40G�.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fuente: Cat�logo SANDVIK

 

Resultados y discusi�n

Simulaci�n

La simulaci�n con m�quinas es un paso fundamental antes de la fabricaci�n en la m�quina real, este procedimiento se lo hace para el mecanizado CNC, en este caso se ha propuesto el mecanizado del impeller, para este procedimiento el software NX CAM� brinda muchas facilidades para obtener este tipo de mecanizado multiejes, debido a esto se ha realizado todos los par�metros de operaciones y ha procedido a realizar la respectiva simulaci�n, una vez realizada el montaje del material en bruto adecuado, como se muestra en la siguiente figura el montaje y la secci�n a mecanizar.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Realizado por: Medina M, 2022

 

 

C�digo G

Previo a obtener el c�digo es necesario el 3D de la m�quina espec�fica �ROMI 620-5X el cual facilita la configuraci�n para el dise�o de un post procesador espec�fico para el tipo de m�quinas con las configuraciones necesarias.

La generaci�n del c�digo se la realiza en la pesta�a de dise�o y a su vez seleccionando el post procesador a utilizar espec�ficamente para una m�quina de cinco ejes, este Post procesador es mucho m�s complejo que para una CNC de 3 ejes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

�Figura 11: C�digo G

�Realizado por: Medina M, 2022

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Simulaci�n y mecanizado

 

Simulacion del montaje de la pieza en bruto en la CNC 5 ejes	Montaje de la pieza en bruto en la CNC 5 ejes
Figura 12 Realizado por: Medina M, 2022	Figura 13 Realizado por: Medina M, 2022
Simulaci�n de mecanizado de un �labe	Mecanizado de un �labe
Figura 14 Realizado por: Medina M, 2022	Figura 15 Realizado por: Medina M, 2022
Simulaci�n de la primera herramienta	Mecanizado de la primera herramienta
Figura 16 Realizado por: Medina M, 2022	Figura 17 Realizado por: Medina M, 2022
Simulaci�n de la segunda herramienta	Mecanizado de la segunda herramienta
��������������������� Realizado por: Medina M, 2022     Figura 18 Realizado por: Medina M, 2022	Figura 19 Realizado por: Medina M, 2022
Simulaci�n completa	Mecanizado completo
Realizado por: Medina M, 2022	Realizado por: Medina M, 2022

 

Toma de medidas

Previo a la toma de medidas, el reloj comparador se ubica de forma perpendicular a la mesa coordenada, soportado en una base magn�tica sujeta a una parte sin movimiento de la fresadora y obtener as� un punto de apoyo fijo que impida el movimiento del reloj comparador, a medida que se desplace por la superficie de la tapa superior.

Al momento que la mesa coordenada avanza, desde el di�metro exterior hac�a el centro del impeller con un , el reloj comparador capta la variaci�n de altura en la superficie obteniendo as� los datos geom�tricos

Figura 22: Toma de medidas

Realizado por: Medina M, 2022

 

 

Tabla 2 Toma de medidas con el reloj comparador

Realizado por: Medina M, 2022

 

El calibrador se emple� en la medici�n de escalones, espesores, profundidades y di�metros mayores, menores, externos e internos.

 

Tabla 3: Toma de medidas con calibrador

 

Realizado por: Medina M, 2022

 

Evaluaci�n de la calidad

El mecanizado del impeller debe garantizar la similitud geom�trica entre el modelo digital y el modelo real, como m�nimo en las geometr�as m�s influyentes de la pieza.

�Para evaluar que se cumpla la similitud geom�trica, se emple� el m�todo de evaluaci�n planteado en la norma IEC 60193, este es un m�todo simple y practico el cual dicta que con el trazado dimensional de algunas geometr�as se garantiza la similitud geom�trica entre el modelo digital y el f�sico.

Comparaci�n tridimensional entre el impeller real y digital

Las geometr�as que se miden son el ancho entre �labes y el di�metro de referencia, ya que estas son las dos geometr�as m�s cr�ticas durante el desarrollo de la modelaci�n, debido a la especulaci�n en la definici�n de la geometr�a de los �labes.

 

El ancho entre los �labes se mide tomando dos di�metros del espacio entre ellos, tomando como puntos de referencia, la parte inicial de uno y la parte final del otro.

Figura 23: Ancho entre �labes

� Fuente: Norma IEC 60193

 

 

 

El di�metro de referencia se mide en la parte del impulsor que corresponde a la entrada del fluido cuando �ste opera como bomba, tomando el di�metro desde el inicio del alabe en la parte superior.

Figura 24: Di�metro de referencia

�������������� Fuente: Norma IEC 60193

 

Las desviaciones permitidas por la norma IEC 60193 se emplean para comparar las desviaciones que se obtienen de las geometr�as del modelo real y el modelo digital del impeller y concluir s� la norma se cumple o no.

Tabla 4: Desviaciones permitidas

 

Fuente: Norma IEC 60193

 

 

Tabla 5: Desviaci�n resultante

 

Realizado por: Medina M, 2022

 

 

Conclusiones

Con la tecnolog�a del centro de mecanizado con el que cuenta universidad se demostr� que realmente se pueden realizar operaciones en 5 ejes simult�neos el cual permite la fabricaci�n de distintas formas complejas. El software NX trae diferentes operaciones para el mecanizado multi eje el cual permiti� establecer diferentes estrategias para el desarrollo de los procesos de manufactura del impeller siendo esta una pieza bastante compleja por su geometr�a.

Para el dise�o, simulaci�n y mecanizado se recopil� informaci�n sobre el funcionamiento y operaci�n de fresadoras y prototipos de fresadoras de 5 ejes de Control Num�rico Computarizado, siendo posible el contacto con t�cnicos de Brasil de la marca ROMI.

 

Para el desarrollo del mecanizado fue indispensable el uso de la m�quina virtual desarrollada, esta herramienta permiti� realizar toda la simulaci�n y verificaci�n del proceso de maquinado de forma virtual, permitiendo hacer un an�lisis detallados de cada una de las operaciones de manufactura y estimando la factibilidad de hacer uso de estas o desc�rtalas, tambi�n fue una herramienta que permiti� determinar que montajes se deber�an hacer tanto de la pieza como de las herramientas de corte garantizando que no fuera a existir una colisi�n durante la fabricaci�n de la pieza.

Los resultados obtenidos en el mecanizado del impeller son satisfactorios dado que al comparar con los valores del modelo CAD, se encuentra dentro del rango de desviaci�n permitida; logrando adem�s realizar los seis �labes con sus respectivos partidores

 

Referencias

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� 2023 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).